Розрахунки і креслення в аматорському суднобудуванні

Наближений розрахунок гребного гвинта. Частина 1.

Принцип роботи гребного гвинта. На пластині з одного поверхнею опуклою, а інший плоскою, що рухається в воді (дивись малюнок), на опуклій поверхні виникає розрідження, а на плоскій - підвищений тиск.

Розрідження і тиск, що виникає при русі пластини.

Гребний гвинт являє собою втулку (маточину), На якій укріплені 2, 3, 4, а іноді 5 і 6 відрізків таких пластин, званих лопатями. Коли надіта на гребний вал маточина з лопатями обертається, в воді, то на кожній лопаті виникає розрідження і тиск, результуюча яких спрямована перпендикулярно до лепасті (малюнок нижче).

Розкладання сили, що виникає при обертанні лопаті гребного гвинта.

Цю результуючу можна розкласти на дві взаємно-перпендикулярні сили: Т і Q. Сила Т є силою, що долає опір води рухається судну, вона називається упором гребного гвинта. Сила Q - сила, що витрачається на подолання опору води, обертанню лопаті. Сила Т - корисна, а Q - нікому не потрібна.

Роботу гребного гвинта можна уявити собі і в такий спосіб. Розрідження на опуклій поверхні лопаті змушує воду рухатися до гвинта, а тиск на плоскій поверхні відкидає воду за корму. Реакція відкидаємо струменя передається через лопаті маточини, гребному валу, наполегливій підшипника і корпусу судна. Рух частинок води в відкидаємо струмені Гвинтоподібне і, отже, складається з поступального і окружного руху.

Гвинтоподібно закручена струмінь, що відкидається гребним гвинтом.

Чим більше поступальна швидкість частинок в порівнянні з окружної, тим більша частка енергії витрачається корисно і тим менша марно, або, інакше, тим 'більше коефіцієнт корисної дії гвинта.

Кожна точка лопаті, обертаючись навколо осі маточини до одночасно прямолінійно переміщаючись з судном, описує гвинтоподібну лінію; отже, якщо зобразити рух усіх точок за певний проміжок часу або, інакше, продовжити лопать і маточину, то отримаємо кручені поверхню, подібну до тієї, яка зображена на малюнку.

Лопать гребного гвинта являє собою відрізок гвинтової поверхні.

Якби лопать (або весь гребний гвинт) оберталася у відповідній жорсткої гайки, то за один свій оборот вона просунулася б прямолінійно на шлях, що дорівнює геометричному кроці. Але, вгвинчуючись в тайку, гвинт повинен спиратися на гвинтоподібну поверхню гайки, а так як вода дуже податлива середовище та відступає при найменшому тиску на неї, то фактично за один свій оборот гребний гвинт, працюючи на судні, проходить відстань по відношенню до потоку менше, ніж геометричний крок. Це відстань носить назву ходи гвинта.

Позначимо через H геометричний крок, а через h хода гвинта, тоді величина

буде називатися відносним ковзанням. У гребних гвинтів, що працюють на швидкохідних судах (у таких гвинтів на кожен квадратний сантиметр площі лопатей доводиться порівняно невеликий упор), відносне ковзання має менше значення, ніж у гвинтів тихохідних судів (у таких гвинтів питома упор порівняно великий).

Підбір елементів гребного гвинта.

Підібрати до судна хороший гребний гвинт - це значить знайти такі головні елементи гребного гвинта, при яких гвинт:

1) на найбільшій заданої швидкості ходу судна буде розвивати упор, рівний опору судна, і

2) буде вимагати для цього точно такій швидкості обертання (числа оборотів в хвилину) і потужності, які може створювати двигун на заданому робочому режимі. Завдання це так само важлива і складна, як і підбір хороших обводів корпусу.
Дуже часто підбір гвинта доводиться виробляти два-три рази, перш чем'будет знайдений хороший варіант.

Приступаючи до підбору гребното гвинта, необхідно мати у своєму розпорядженні, крім теоретичного креслення судна:

1) зовнішньою характеристикою двигуна, або, інакше, діаграмою, яка б показала як змінюється потужність даного двигуна від зміни числа обертів,

2) схемою силової передачі від двигуна до гвинта і

3) кривої опору майбутнього судна.

Якщо зовнішньої характеристики немає, то треба знати принаймні найбільше можливе число обертів двигуна і найбільшу розвивається при цих оборотах потужність; якщо двигун не новий, то треба знати і ступінь його зношеності, щоб можна було точніше оцінити фактично розвивається їм потужність. На малюнку наведено приклад зовнішньої характеристики двигуна.

Орієнтовна діаграма зовнішньої характеристики двигуна внутрішнього згоряння.

Якщо опір судна не вирахує, то треба принаймні визначити по наближеним формулам найбільшу можливу швидкість ходу і звірити її для перевірки зі швидкістю відомих подібних судів.

Основними елементами гребного гвинта будемо вважати його діаметр і геометричний крок, а також число лопатей, найбільші ширину і довжину лопаті.

Для підбору елементів гребного гвинта малого судна існує кілька способів; точніші і при цьому більш складні способи - це ті, що застосовують для підбору гвинтів великих суден. Вони засновані і а результати численних послідовних випробувань моделей гребних гвинтів, при яких вимірювалися упор, потрібна потужність і число оборотів, або на складних теоретичних розрахунках. Менш точні способи засновані на статистичних даних про гвинтах побудованих судів. Нижче ми опишемо тільки спосіб підбору трехлопастного гребного гвинта, наведений у книзі Л. Л. Романенко і Л. С. Щербакова «Моторний човен». Цей спосіб більш простий, ніж точні способи підбору гвинта, точність ж його достатня для задоволення потреб любителя. У всякому разі, при проектуванні звичайних судів цей спосіб оберігає від серйозних прорахунків.

* Спрощений метод розрахунку гребних гвинтів спортивних мотосудов викладено також в книзі «Водно-моторний спорт» (підготовка спортсменів-розрядників). «Фізкультура і спорт», 1959.- Прим, ред.

Перш ніж приступити безпосередньо до визначення відповідних елементів (гребного гвинта, необхідно обчислити деякі дуже важливі величини.

1) Перш за все треба обчислити величину потужності, яку зможемо витрачати безпосередньо на обертання гвинта, або, інакше, потужності на гвинті N0 також число оборотів, які зможемо повідомляти гвинта. Якщо двигун .'Спеціально судновий, то в якості максимальної потужності на колінчастому валу двигуна можна приймати-потужність але зовнішній характеристиці ІЛК потужність, зазначену в паспорті; якщо ж наш двигун не судновий, а, наприклад, автомобільний і нам доведеться його конвертувати, т. е. пристосовувати до умов роботи на судні, то слід розраховувати на те що фактично з вала двигуна ми зможемо знімати на 12-15% (залежно від якості конверсії та стану мотора) менше. Інакше, коефіцієнт корисної дії конверсії кін = 0,88-0,85. Зауважимо, що для підвісних моторів в паспорті вказують потужність на гвинті.

Якщо вал двигуна буде з'єднаний з гребним гвинтом безпосередньо (на пряму) без реверсивно роз'єднувального пристрою, то «по дорозі» до гвинта ми втратимо 3-4% потужності на валу; інакше кажучи, коефіцієнт корисної дії такого валопровода вал = 0,97-0,96 залежно від якості виконання передачі (точності установки підшипників і т. п.). При установці реверсивно-роз'єднувального пристрою слід розраховувати на вал = 0,96-0,95.

Нарешті, якщо підбір гребного гвинта покаже, що нри числі оборотів двигуна, відповідному максимальної потужності, можна підібрати гвинт, який повідомляв би судну розрахункову швидкість, то доведеться по шляху від мотора до гвинта встановити редуктор- або мультиплікатор, відповідно зменшує або збільшує число обертів гвинта . В цьому випадку слід приймати вал = 0,94-0,93 знову-таки в залежності від якості виготовлення і стану зубчастої передачі.

Таким чином, якщо ми маємо намір встановити на судні, наприклад, автомобільний мотор потужністю на валу 42 л. с. а також реверсивно-роз'єднувальний та механізм і редуктор, то при підборі елементів гребного гвинта повинні приймати на гвинті потужність близько

Зменшуючи потужність при конверсії і витрачаючи її на тертя при обертанні гребного вяла, реверсивно-роз'єднувального механізму і редуктора, двигун одночасно зменшує і число обертів свого колінчастого вала; тому, визначивши потужність, яку двигун зможе передавати гребного гвинта, треба визначити і відповідне їй число обертів двигуна. У разі ж установки редуктора або мультиплікатора треба врахувати і їх передавальне число.

2) Іншою важливою величиною, яку необхідно визначити, є швидкість, з якою гвинт буде поступально рухатися на розрахунковій швидкості судна. По відношенню до непюдвіж'ньш предметів гвинт рухається з тією ж швидкістю v км / год, що і судно. Але так як корпус судна і підводні виступаючі частини, розташовані попереду і над гребним гвинтом, захоплюють (підтягують) за собою масу води, в якій повинен працювати гвинт, то виявляється, що гвинт рухається не в нерухомій воді, а в воді, частинки якої рухаються вперед з деякою швидкістю, меншою, ніж швидкість v судна і гвинта. Отже, швидкість гвинта по відношенню до частинок води менше швидкості v судна. Потік води, який захоплюється судном, носить назву попутного потоку; швидкість його залежить від обводів, опади і швидкості руху оудна і визначається коефіцієнтом попутного потоку w.

Номограма для визначення швидкості руху гвинта по відношенню до потоку води за судном.

За допомогою номограми на малюнку можна легко визначити швидкість поступального руху гвинта vр м / сек по відношенню до води для різних судів в залежності від коефіцієнта попутного лоток w

3) Після того як потужність на, гвинті N в. відповідне їй, число обертів гвинта в хвилину n і швидкість руху гвинта по відношенню до води vр визначені, треба обчислити допоміжну величину, звану індексом потужності:

n-число обертів 1вінта в хвилину;

N в-потужність на гвинті, л. с .;

vр-швидкість гвинта по відношенню -до воді, км / год.

Індекс потужності може бути визначений за допомогою номограми. Визначивши ці три величини, можемо приступити безпосередньо до визначення елементів гвинта.

Діаграма для визначення крокової відносини, коефіцієнта корисної дії гвинта, ковзання до коефіцієнта К

1. За діаграмою визначаємо чотири величини:

а) найбільш підходяще відношення кроку до діаметру гвинта H / D;

б) відповідний найбільший можливий коефіцієнт корисної дії гвинта в;

в) величину ковзання гвинта S;

яке нам буде потрібно при визначенні діаметра гвинта D.

2. Знаючи ці величини, можемо, користуючись виразом

де vр - в м / сек або номограми, визначити найбільший діаметр гребного гвинта в метрах.

3. Потім, знаючи величину діаметра D і відношення кроку гвинта до діаметру H / D. визначаємо крок гвинта:

4. Для тото щоб визначити упор гребного гвинта в кг, користуємося формулою

або номограми. Очевидно, що їли величина Р виявиться істотно менше опору на заданій швидкості ходу судна

то гвинт не забезпечить цієї швидкості і розрахунок слід повторити, задавшись дещо меншою швидкістю ходу v; якщо / ж упор гвинта виявиться достатнім, то слід перейти до розрахунку розмірів лопаті.

Випрямлення площа всіх лопатей, інакше, площа розігнути лопатей, повинна дорівнювати (в м 2):

Р - упор гвинта, кг;

Рмах - найбільше допустиме для міцності гвинта тиск в кг / м 2 при обраному матеріалі, Величина Рмах може бути взята з таблиці.

Найбільше припустиме питомий тиск на лопать.